由于其簡單性和低成本，綠色 LED 照明的心跳傳感器現在幾乎無處不在，在大多數消費者健康產品以及許多手機和手表中都可以找到。但是，盡管它們具有所有優點，但我觀察到它們經常受到環境因素的影響，這些因素降低了它們的準確性，在某些情況下，它們根本無法進行測量。

這些因素包括對手指放置的敏感性、LED 光源和傳感器之間的距離變化以及環境光侵入。這促使我考慮制作一個交流耦合跨阻放大器 (TIA)，它對明亮的環境光（例如陽光或靠近光電二極管傳感器的 100W 白熾燈泡）的影響要小得多。

仿真表明該想法效果很好，并且光電二極管中的直流電流（建模為具有直流偏置偏置的交流電流源以模擬環境光響應）被與 TIA 輸入的交流耦合拒絕。

圖 1：具有低噪聲 2.5V 參考電平的交流耦合 TIA。

為了驗證仿真，我使用手頭已有的組件制作了一個初步電路——最值得注意的是一個 Yi T1-3/4 或 5 毫米“子彈”光電二極管和一個通用的綠色 LED。這兩款器件都采用表面貼裝封裝，在近距離也能正常工作。如果需要更遠距離的脈沖感應，則可能需要使用 SMD 封裝中包含透鏡的部件來減小視場。

由此產生的電路在距離光電二極管/LED 設置最遠 6 英寸的地方展示了良好的脈沖靈敏度，即使 100W 白熾燈泡盡可能靠近光電二極管（不會阻擋到我手腕之間的光路）光電二極管和 LED）。同樣，新電路對身體運動（我的手腕）的敏感性很小。

這是模擬的完整電路，包括高通和低通濾波器，針對上述結果構建和測試：

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圖 2：完整的 TIA 電路包括一個帶通濾波器，有助于降低其對身體運動和快速環境光變化的敏感度。如圖所示，電路的響應從 48bpm 到 390bpm 為 -3dB。

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圖 3：在 0.5Hz 或 120bpm 激勵下對 1nA 光電二極管交流電流的濾波器輸出響應。

此處實現的 TIA 對組件變化相當不敏感。我使用了容差為 5% 的電阻器和容差為 10% 的電容器。平衡的交流輸入和低通濾波器提供了對交流線路感應噪聲的出色抑制。

結果，當我將皮膚靠近并最終接觸到塑料光電二極管封裝時，我在輸出信號中看不到“嗡嗡聲”。附近的 100 W 燈泡產生的背景光沒有 120Hz 響應。在環境光抑制測試期間，該電路也沒有表現出對燈泡與光電二極管的接近程度的任何 60Hz 響應。

結論

通過在光電檢測器電路中使用交流耦合跨阻放大器，可以減少或消除與基于綠色 LED 的脈沖傳感器相關的許多常見問題。對于大多數應用而言，與 TIA 組件相關的任何可能的額外成本都遠遠超過了在抗噪性、位置公差和感應范圍方面的收益。

圖 4：LED、光電二極管和皮膚表面的相對位置。

審核編輯：湯梓紅